被动接收机应对民用基站干扰的对策

朱利超,陆建亚，吕　建

(1.海军装备采购中心,北京100071;2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153)



被动接收机应对民用基站干扰的对策

朱利超1,陆建亚2，吕建2

(1.海军装备采购中心,北京100071;2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153)

摘要:2015年手机用户已经超过20亿,民用通讯基站密布,污染着电磁环境。分析了民用基站的信号特点。从硬件设计的角度,对被动接收机造成的干扰提出了被动接收机的应对办法和采取的具体措施,可有效提高被动接收机对复杂电磁环境的适应能力。

关键词:雷达;被动接收机;基站干扰;对策

0引言

被动接收机通常为超宽带形式的接收机,多倍频程覆盖,频率宽开,可以接收并分选来自P到X频段以上的各种辐射源信号,但也容易受到来自近程大功率辐射源的干扰,尤其是邻近的民用通讯基站的干扰。所以,被动接收机通常要求数公里内无大功率辐射源。然而,民用通讯的普及使得民用通讯基站无处不在,要求无干扰的理想环境是不现实的。因此,有必要考虑被动接收机自身对复杂电磁环境的适应性。

1基站信号现状

1.1频率覆盖

目前,国内民用通讯主要有3家运行商:移动、联通和电信,频率覆盖825~960 MHz、1710~2655 MHz,见表1[1]。

1.2功率电平

GSM手机的最大输出功率为2 W,CDMA手机最大输出功率为200 mW(23 dBm,CDMAIS-95A规范要求为23~30 dBm),TD-LTE手机最大输出功率为200 mW(TS36.101规范)。

基站的功率设置与基站的分布密度有关,郊区基站通常设置为40 W标准功率,偏远地区可能会3倍以上,而海面基站可能会达到200 W以上。

郊区基站通常设置为40 W标准功率,基站天线增益通常为12 dBi、15 dBi、17 dBi。

除了基站的强辐射,手机的辐射也不可忽视,因为手机的距离更近。在一些情况下,为了能保证通信质量,手机发射功率会自动调整到大的功率状态,例如手机在基站覆盖的远端、手机被遮挡处在无线阴影区内、手机处在干扰较大的环境下。

表1

2对被动接收机的影响

考虑40 W标准基站,基站天线增益15 dBi,远离基站1 km处的被动接收机,基站信号到达被动接收机端口的大小估算[2]:

(1)

Lfs=32.45+20log10d(km)+20log10f(MHz)

(2)

式中,Vr为基站发射机输出功率(dBm),Gr为基站天线增益(dBi),Lfs为自由空间传播路径损耗(dB),Gin为接收天线增益(dBi),d为被动接收机到基站的距离(km),f为基站信号频率(MHz),Vin为到达被动接收机端口的信号强度(dBm)。

设Vr=46dBm(40W),Gr=15dBi,Gin=20dBi,则可计算出Vin=-10.5349dBm。

从上面分析得出的Vin值是比较保守的估算,实际到达被动接收机端口的干扰通常功率会高于此值。因为被动接收机面临的通常是偏远地区的或海面的基站,发射功率较大,没有空间遮挡。图1为室内测得的手机信号频谱特性。图1(a)为CDMA信号;图1(b)中,左边为CDMA信号,右边为GSM信号,带有连续波的特性。

(a) (b)

功率为-10dBm的输入信号已经远远超过了接收机的输入饱和电平,可以造成被动接收机如下危害:

(1) 阻塞干扰

阻塞与基站信号频率重叠的信道,有用信号与干扰在一个中频信道。由于接收机的信号分选通常为时域算法。在时域上,有用信号被完全淹没,信号无法分选。图1(b)显示了有用的840.64MHz信号受干扰的情况。

(2) 交调干扰

大功率宽带的干扰信号(频率范围f1～f2)与有用信号f3混频产生严重的交调干扰m ×(f1～f2)±n × f3,造成大量虚假信号进入接收机原本干净的通道,使原本没有目标的通道看起来有目标存在。

(3) 谐波干扰

大功率的干扰信号会使放大器由于自身压缩点的限制而产生丰富的谐波信号。这些谐波会落入高频段通道,使高频段通道产生虚假信号,并影响高频段信号的正常接收。

3基站干扰解决办法

被动接收机安装位置通常受到特定频率区间的基站信号干扰,需要进行针对性考虑。

3.1阻塞干扰的解决途径

针对阻塞干扰的情况,有以下4种办法可以解决:

(1) 接收机前端加可调谐式的低插损滤波器,用扫频接收方式得到有用的信号。这是一种有用的方法,缺点是滤波器实现的技术难度较大。

(2) 接收机前端加一个低插损带阻滤波器,直接挖掉干扰。这种方法对于干扰频率固定、干扰源单一时比较有用并容易实现,缺点是同时也会阻塞有用信号。

(3) 接收机前端加开关滤波器组,选通无干扰频段,避开干扰频率。这种方法对存在多个干扰源时有用,缺点是滤波器的插损指标难以控制。

(4) 接收机后端中频部分加一个窄带的带通滤波器,频域上直接套取有用的信号。这是信号落在干扰区但又不能丢弃时的最方便的选择。此时尽管信号与干扰在时域上交叠,频域上还是可以分开。用固定频率和带宽的中频滤波器可以抑制掉固定的组合干扰频率,留下有用的信号成分。

3.2交调干扰的解决途径

针对交调干扰的情况,可以采用3.1(1)~(3)的方法,3.1(2)在前端加一个低插损带阻滤波器,是比较容易实现低成本解决方法,可以实现对重点干扰源的抑制。

滤波器必须加在射频前端的输入端口,场放之前。如果加在场放后,会由于场放对大信号的非线性效应而发生一定程度的阻塞、或者产生新的频率分量——谐波,使滤波器无法正常滤除。

滤波器的损耗越小越好,通常小于1dB,否则影响对小信号的接收灵敏度。

3.3谐波干扰的解决途径

针对谐波干扰的情况,主要是解决基站信号的谐波干扰。谐波是由于基站信号进入前端场放产生,可以在接收机前端加高通滤波器解决问题,当然一个超宽带多倍频程的带通滤波器也会有同样的效果。通常被动接收机的天线是分频段的,基站信号通常落在低频段,这是不考虑用带阻滤波器的原因之一。

3.4滤波器的选择

滤波器是被动接收机应对基站干扰的首选器材,滤波器的选择主要考虑如下几点:

(1) 优先考虑前置滤波器,如果滤波器放在后端,把干扰放进来,会产生新的干扰分量(放大器的谐波、混频器的交调);

(2) 前置滤波器直接与天线相连,必须有耐功率要求,不能因为偶尔出现的大功率信号而损坏滤波器,通常要求滤波器能够承受5W以上功率的连续波不损坏;

(3) 前置滤波器的损耗直接影响接收机的灵敏度,所以滤波器的插入损耗越小越好,至少不应大于1dB;

(4) 陡峭的矩形系数,可以减少由于滤波器过渡带引起的频带资源的损失;

(5) 综合(2)、(3)、(4)点应优先考虑采用腔体结构的滤波器,腔体滤波器整体为金属腔结构,有很好的耐受功率;同时腔体滤波器有很高的Q值,可以做到低插损和陡峭的矩形系数,所以在不考虑体积的情况下,腔体滤波器是最好的选择。

3.5滤波器的推荐

结合实际使用效果情况,推荐以下几款可用于解决基站干扰问题的滤波器:

图2为700~1250MHz可调谐滤波器,耐功率50W,损耗1dB左右。该滤波器可连续调谐,调谐速度为800ms,可用于灵活选择有用的窄带信号区间,从而避开复杂的干扰区域。

图3为2GHz高通滤波器,带100mm电缆的损耗<1dB,尺寸为33mm×37mm,微带线结构,耐功率2W。该滤波器适合加装在限幅器与低噪放之间,用于防止低频段基站信号进入场放,避免由于低噪放非线性效应而产生谐波,对高频段的信号分选产生影响。对于不是特别大功率的干扰源,可将滤波器直接加在限幅器前。

图4(a)、(b)均为带阻滤波器,带400mm电缆的损耗<1dB,尺寸为,231mm×54mm,腔体结构,耐功率50W。该滤波器适合加装在天线与接收机前端之间,左边40dB阻带350MHz,矩形系数1.3,右边40dB阻带63MHz,矩形系数1.9,分别用于抑制宽带的基站干扰和窄带的基站干扰。

图2　可调谐滤波器

图3　高通滤波器

(a)　　　　　　　 (b)

4结束语

民用通讯从2G到3G,再到4G,占有了更高的频段和更宽的绝对带宽,对被动接收机的电磁环境适应性提出了更高的要求,我们也希望获得性能更好的滤波器。例如，研制满足耐功率和低插损要求的高选择性的可调谐滤波器，满足同样要求的开关滤波器组，以及满足成本和体积要求的极低损耗和极陡矩形系数的超导滤波器,满足适应未来民用基站造成的复杂的电磁环境的需要。

参考文献:

[1]朱里奇.基站与无线覆盖技术[M].北京:机械工业出版社,2011：11-12.

[2]J E斯蒂芬.接收系统设计[M].康士棣,等译.北京:宇航出版社,1991：20-21.

Countermeasures against interference from civilian base stations for passive receivers

ZHU Li-chao1, LU Jian-ya2, LYU Jian2

(1. Naval Armament Procurement Center, Beijing 100071;2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:By the end of 2015, the total number of mobile phone users has exceeded 2 billion. The densely distributed civilian communication base stations have been polluting the electromagnetic environment. The signal characteristics of the civilian base stations are analyzed. From the perspective of hardware design, the solutions and specific countermeasures adopted by the passive receivers are presented to resist the interference from the civilian base stations, which can effectively improve the ability of the passive receivers to adapt to the complex electromagnetic environment.

Keywords:radar; passive receiver; base station interference; countermeasure

中图分类号:TN95

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2016)01-0052-04

作者简介:朱利超(1979-),男,工程师,硕士,研究方向:装备采购及技术;陆建亚(1960-),男,工程硕士,研究员,研究方向:雷达接收及总体技术；吕建(1961-)，男，技师，研究方向：高频元件、薄壁件、钛合金等难切削材料的精密加工。

收稿日期:2015-11-02;修回日期:2015-11-20